Решение проблемы депонирования углерода на государственном и межгосударственном уровнях

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА»

Курсовая работа

на тему: «Решение проблемы депонирования углерода на государственном и межгосударственном уровнях»

Выполнил:

Козлова Е.А.

2015 год

Содержание

Введение

Глава 1. Глобальный круговорот углерода

1.1 Круговороты химических элементов в биосфере

1.2 Биогеохимические круговороты углерода: ландшафтный, малый и биосферный

Глава 2. Влияние круговорота углерода на глобальный климат

2.1 Концентрация углерода в системе литосфера - гидросфера - атмосфера

2.2 Изменение содержания углерода в атмосфере в разные геологические периоды

2.3 Парниковые газы и атмосферные аэрозоли и климат

2.4 Парниковый эффект и климат

Глава 3. Способы понижения концентрации углекислого газа в атмосфере

3.1 Глобальное потепление климата и протокол Киото

3.2 Способы сокращения парниковых газов в атмосфере

Заключение

Литература

Введение

Человеческая деятельность привела к разомкнутости биогеохимического круговорота диоксида углерода (СО₂) в наземных экосистемах. Особое место в современных биогеохимических циклах углерода занимают сжигание горючих ископаемых (угля, нефти, газа и др.), обжиг извести, лесные пожары, вырубка лесов, распашка земель. Следствием чего явился прогрессирующий рост его содержания в атмосфере, что катализирует парниковый эффект и может привести к непредсказуемым последствиям - это в первую очередь необратимые глобальные изменения климата в сторону потепления, в результате которых произойдет таяние ледниковых покровов, многолетней мерзлоты и, как следствие, повышение уровня Мирового океана. Будет нарушена экологическая стабильность планеты. Снижение выбросов парниковых газов возможно путем использования альтернативной энергетики, снижения энергоемкости и общей мощности хозяйственной деятельности человека, а также восстановления естественных лесов.

Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. Известный географ И.М. Забелин высказал мысль, что природа создала сначала жизнь для ускорения круговорота углерода, а затем разум для того, чтобы ускорить развитие биосферы.

Основной источник углерода для живых организмов -- это атмосфера Земли, где данный элемент присутствует в виде диоксида углерода (углекислого газа, СО₂). Еще одним переносчиком углерода является метан. Однако из атмосферы происходит утечка метана в стратосферу и далее в космическое пространство.

Если ограничиться традиционными рамками углеродного цикла, то весь резерв земной атмосферы, океана и биомассы исчерпался бы в довольно короткий срок--за 50--100 тысяч лет. Однако этого не происходит. Запасы углерода на поверхности планеты непрерывно пополняются из космического пространства и мантии Земли.

Глава 1. Глобальный круговорот углерода

1.1 Круговороты химических элементов в биосфере

Изменения, происходящие в мире, разделяются на регулярные и хаотические. Устойчивые изменения часто имеют циклический характер, когда система снова и снова переходит в точно такое же состояние, в котором она была в начале процесса. Цикл (греческое kyklos - круг) характеризуется периодом, амплитудой, т.е. размахом колебаний и порядком следования событий перехода системы из одного состояния в другое. Промежуток между последовательными событиями, содержанием которого является один из взаимосвязанных процессов цикла или одно из возможных состояний системы представляет собой фазу цикла.

Планетарный круговорот веществ - процесс перемещения и превращения вещества, неизменно повторяющийся цикл развития в системе земных геосфер (литосфере, гидросфере, атмосфере, педосфере) и, прежде всего, в биосфере. Символом круговорота служит не круг, а циклоида - линия, описываемая точкой, находящейся на ободе движущегося колеса, т.е. движение (развитие) по спирали, имеющее более или менее выраженный циклический характер. Как отмечает А.И. Перельман, термин "круговорот" нельзя признать удачным, так как он создает впечатление о развитии по кругу, о возвращении системы в прежнее состояние. В действительности круговорот элементов обратим не полностью, часть веществ из него изымается и фоссилизуется (захороняется) в биосфере и стратисфере (осадочной оболочке Земли и слоистых вулканических породах) в виде гумуса, пород и минералов (известняков, торфа и др.). В результате системы не возвращаются в прежнее состояние, для них характерно поступательное развитие.

Круговорот веществ - основное свойство геосфер различных уровней, отражение единства вещества на планете. Он создает основной механизм превращения на Земле вещества (солей, газов, взвесей и т.д.) и энергии (теплоты) и объединяет разные слои (оболочки) планеты. Например, вулканические извержения поставляют СО₂ в атмосферу и гидросферу, а фотосинтез и карбонатообразование изымают СО₂, связывая углерод в карбонатах и органических соединениях. Таким образом, происходит обратная связь между глубокими частями земной коры (а возможно, и верхней мантии) и биосферой, названная А.И. Перельманом «геохимическим циклом (круговоротом)», в котором участвует земная кора (биосфера, стратисфера, метаморфическая и гранитная оболочки) и который включает в себя тектономагматические и биосферные циклы.

Освещая вопрос о круговороте химических элементов, важно отметить, что в природе постоянно протекают различные химические реакции. Часть этих реакций проходит без участия живых существ, а часть -- при их непосредственном участии, т. е. в живой природе. В результате химических процессов атомы перемещаются, движутся. Вследствие этого происходит обмен веществ и энергии между всеми оболочками Земли: литосферой, атмосферой, гидросферой, биосферой. Круговорот химических элементов является причиной постоянства протекания химических реакций. Можно сказать, что благодаря круговороту химических элементов - повторяющимся процессам превращения и перемещения веществ в природе - возможна жизнь на Земле.

Круговая или спиральная упорядоченность проявляется и при взаимодействии разнородных систем. В биологический круговорот веществ вовлечена как косная, так и живая природа: на поверхности суши и в верхних слоях морей идут процессы аккумуляции элементов в живых организмах, а в почве и в глубинах водоемов разложение органики приводит к минерализации.

Биогеохимическая машина Земли представлена циклами элементов, связанных между собой. Это углерод, кислород, азот, кальций, магний, фосфор, сера, кремний, железо.

Главенствующим является цикл органического углерода (рис.1), с ним сопряжены циклы углекислоты и кислорода.

Рис. 1. Круговорот углерода

Превращение неорганического углерода в первичную продукцию происходит в этом цикле за счет использования солнечной энергии цианобактериями, водорослями, растениями и в малой степени хемоавтотрофами, использующими эндогенный водород. В процессе фотосинтеза создаются органические вещества из углекислоты и воды при участии ферментов в хлоропластах клеток автотрофов, превращающих в свои ткани углекислоту, воду, минеральные соли, основными элементами которых являются калий, фосфор, азот, и поставляющих в атмосферу кислород. В деструкционной части цикла органического углерода участвуют органотрофные организмы; конечным продуктом деструкции является углекислота, замыкающая цикл органического углерода и сопрягающая его с циклом неорганического углерода и циклом кислорода. Выделение углекислоты в атмосферу идет на всех уровнях биоценоза. Поступление углекислого газа, продукта процессов окисления, имеет суточную и сезонную ритмику.

Цикл органического углерода дополняется циклами азота, кальция, магния, кремния, серы, железа. Из отдельных циклических процессов складывается круговорот - взаимосвязанное превращение и перемещение веществ в природе не полностью обратимое.

Циклические или органогенные элементы имеют наибольшую суммарную массу в биосфере. Для циклических элементов характерны многочисленные химические обратимые процессы. Их геохимическая история может быть выражена круговыми процессами (циклами). Каждый элемент дает характерные для определенной геосферы соединения, постоянно возобновляющиеся. После более или менее продолжительных и более или менее сложных изменений элемент возвращается к первичному соединению и начинает новый цикл, завершающийся для элемента новым возвращением к первоначальному состоянию. Великие ученые, открывшие в 1773 г. земные газы и их свойства, предугадали эти характерные химические циклы. Имена этих ученых Д. Прингль и Д. Пристлей. Затем в 1842г. два французских ученых Ж.Б. Дюма и Ж. Буссенго дали яркую картину этих циклов. В 1850-х годах К. Бишоф, позже Ю. Либих и К. Мор перенесли эти представления на остальное вещество земной коры. Элементы, образующие циклы, характеризуются химическими соединениями, молекулами или кристаллами. Эти циклы обратимы лишь в главной части атомов, часть же элементов неизбежно и постоянно выходит из круговорота. Этот выход закономерен, т.е. круговой процесс не является вполне обратимым.

Среди форм такого выхода из цикла особое значение имеет рассеяние элемента, его выход в форме свободных атомов. Быть может, элемент этим путем выходит из цикла, иногда навсегда.

1.2 Биогеохимические круговороты углерода: ландшафтный, малый и биосферный

Биогеохимический круговорот углерода - это комбинация последовательных периодических (в течение суток - миллиардов лет) непрерывных замкнутых процессов превращения, перемещения, распределения, рассеяния и концентрации углерода через косную и органическую природу в биосфере при активном участии живых организмов. Биогеохимический круговорот углерода в биосфере в целом и в конкретном ландшафте - из диоксида углерода в живое вещество и обратно в диоксид углерода - приводится в действие диалектическим единством двух противоположно направленных процессов - фотосинтеза и минерализации. Но часть углерода посредством медленно идущих циклических процессов удаляется, отлагаясь в осадочных породах. Баланс атмосферного углерода определяется биогеохимическими круговоротами, в каждом из которых осуществляются приход и расход СО₂.

Углерод участвует в глобальном круговороте. Живые организмы в той или иной мере фиксируют его, и он на миллионы лет оседает в земной коре в связанном состоянии в виде горных пород, ископаемых топлив - каменного угля, нефти, органических газов. Постоянно действующий конвейер вещества планеты увлекает углерод на различные глубины, где он в результате метаморфоза принимает самые разнообразные формы и в итоге рассеивается по всей земной коре.

Указанные типы биогеохимических круговоротов углерода во многом принципиально сходны. Они связаны между собой механизмами переноса углерода в пределах биосферы, которые совершаются с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций. Различия заключаются в основном в масштабах, темпах и сроках завершения цикла. Биосферный биогеохимический круговорот протекает несопоставимо медленнее, чем ландшафтный и малый круговороты. Два последних направлены главным образом на аккумуляцию и удержание углерода в экосистемах (биогеоценозах). Любое нарушение почвенного покрова приводит к потере органического углерода, что порождает глубокие изменения в сложившихся биогеохимических потоках углерода в геосферах.

Потери органического углерода вызваны обработкой земли, лесными пожарами, рубками леса, гибелью лесов в результате болезней и инвазии насекомых, а также промышленными загрязнениями. По масштабам воздействия на углеродный бюджет лесных экосистем Европейской России основная роль принадлежит рубкам, а в Азиатской России - лесным пожарам, вредным насекомым и болезням. Размеры пулов СО₂ в лесах России и масштабы его годичного депонирования в ближайшие один - два десятилетия будут определяться двумя основными факторами - лесными пожарами и промышленными рубками. Повышение продуктивности и улучшение структуры ("омоложение") лесов, расширение площадей покрытых лесом земель приведут к увеличению депонирования углерода лесной растительностью, что важно для сбалансированности биогеохимических круговоротов СО₂.

Глава 2. Влияние круговорота углерода на глобальный климат

2.1 Концентрация углерода в системе «литосфера-гидросфера атмосфера»

Больше всего углерода сконцентрировано в карбонатных горных породах - известняке CaCO₃ и доломите СаСО₃*MgCO₃. Однако, содержащийся в них углерод практически выводится из круговорота.

Основное связующее звено в круговороте этого элемента - атмосфера, поскольку углерод в ней содержится в наиболее подвижной форме - в виде оксида углерода IV.

Поскольку оксид углерода растворим в воде, атмосфера может обмениваться с океаном. По запасам углерода океан значительно превосходит воздушную оболочку. Однако углерод не превращается в биомассу из-за нехватки там других жизненно важных элементов - азота и фосфора. Тем не менее океан поддерживает концентрацию СО₂ в атмосфере более или менее постоянной, забирая СО₂, если его становиться больше, и отдавая - если его количество уменьшается. Согласно имеющимся данным наблюдений, в настоящее время как Мировой океан, так и суша являются глобальными стоками СО_2, причем в океане это обусловлено химическими и биологическими процессами, тогда как на суше связано с усилением «фертилизации» растительности за счет возрастающей концентрации СО₂ и азота, а также с изменениями землепользования.

СО₂ не вымораживается при понижении температуры, и продолжает создавать парниковый эффект даже при самых низких температурах, возможных в земных условиях. Вероятно, именно благодаря постепенному накоплению углекислого газа в атмосфере, вследствие вулканической деятельности, Земля смогла выйти из состояния мощнейших оледенений (когда даже на экватор был покрыт мощнейшим слоем льда) в начале и конце протерозоя.

Углекислый газ вовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера, и изменение земного климата связывают, прежде всего, с изменением баланса его поступления в атмосферу и выведения из нее.

Большие потоки наблюдаются в системах океан (вместе с обитающими там организмами) - атмосфера, и наземная биота - атмосфера. В океан ежегодно поступает из атмосферы около 92 Гт углерода и 90 Гт возвращается обратно в атмосферу. Таким образом, океаном ежегодно дополнительно изымается из атмосферы около 2 Гт углерода. В то же время в процессах дыхания и разложения наземных умерших живых существ в атмосферу поступает около 100 Гт углерода в год. В процессах фотосинтеза наземной растительностью изымается из атмосферы тоже около 100 Гт углерода. Как мы видим, механизм поступления и изъятия углерода из атмосферы достаточно сбалансирован, обеспечивая приблизительно равные потоки. Современная жизнедеятельность человека включает в этот механизм все увеличивающийся дополнительный поток углерода в атмосферу за счет сжигания горючих ископаемых (нефть, газ, уголь и пр.). Также поток углерода в атмосферу увеличивается и за счет вырубки и частичного сжигания лесов, при этом прирост биомассы, способствующий поглощению СО₂ составляет всего около 0,2 Гт в год вместо почти 2 Гт в год. Даже учитывая возможность поглощения около 2 Гт дополнительного углерода океаном, все равно остается довольно значимый дополнительный поток (к настоящему времени около 6 Гт в год), увеличивающий содержание углекислого газа в атмосфере. Кроме того, поглощение углекислого газа океаном уже в ближайшем будущем может уменьшиться, и даже возможен обратный процесс - выделение углекислого газа из Мирового океана. Это связано с понижением растворимости углекислого газа при повышении температуры воды - так, например, при повышении температуры воды всего с 5 до 10 °С, коэффициент растворимости углекислого газа в ней уменьшается приблизительно с 1,4 до 1,2.

Итак, поток углекислого газа в атмосферу, вызываемый хозяйственной деятельностью не велик по сравнению с некоторыми естественными потоками, однако его нескомпенсированность приводит к постепенному накоплению СО₂ в атмосфере, что разрушает баланс поступления и изъятия СО₂, складывавшийся за миллиарды лет эволюции Земли и жизни на ней.

За период с 1750 г. по настоящее время концентрация СО₂ в атмосфере возросла примерно на одну треть, достигнув самого высокого уровня за последние 420 тыс. лет, о чем свидетельствуют данные ледяных кернов.

Примерно на две трети рост концентрации СО₂ за последние 20 лет обусловлен выбросами в атмосферу за счет сжигания ископаемых топлив (остальное приходится на долю вкладов от сведения лесов и в меньшей степени цементной промышленности). На рис. 2 показан рост концентрации углекислого газа в атмосфере за последнее тысячелетие. В процессе сжигания топлива в топках электростанций и двигателях внутреннего сгорания в атмосферу выбрасывается огромное количество СО₂ - в пересчете на углерод 6 гигатонн в год, что составляет вполне значимую величину по сравнению с естественным кругооборотом углерода (160 Гт/год), обусловленным массообменом атмосферы с океаном и биосферой.

Приведенные на рис.2 данные неопровержимо свидетельствуют о том, что за последние 200 лет концентрация СО₂ выросла на 30% по сравнению с доиндустриальным уровнем. В соответствии с многочисленными прогнозами если не принимать никаких мер, то к середине ХХI века вследствие дальнейшего развития энергетики, транспорта и промышленности произойдет удвоение концентрации СО₂ в атмосфере по сравнению с 1800 годом. Еще одним компонентом углеродного цикла является метан, содержание которого в атмосфере оценивается как 1,8 ppm (parts per million, частей на миллион). Основные места образования метана -- это сильноувлажненные территории, залежи углеводородов, включая газогидраты.



Рис. 2. Изменение концентрации СО₂ в атмосфере Земли в течение последних 1000 лет

Ранее считалось, что поток метана из недр Земли невелик, и его практически не учитывали. Однако некоторые современные оценки поступления метана от дегазации недр, основанные на анализе содержания различных изотопов углерода, входящего в состав метана, дают уже весьма значимые цифры около 0,2 Гт в год, и даже более.

Поток метана в атмосферу может значительно увеличиться при разрушении метангидратов, обнаруженных в последние десятилетия в вечной мерзлоте и в глубинах Мирового океана. Метангидраты - это фактически тот же лед, в котором в каркасах молекул воды за счет действия ван-дер-ваальсовских сил присутствуют еще молекулы метана (химическое взаимодействие отсутствует). Значительная часть метангидратов находится в метастабильном состоянии и подвергается опасности разложения при небольшом повышении температуры (порядка одного-нескольких градусов).

Кроме того, метан высачивается на дне океана через трещины земной коры, выделяется в немалом количестве при горных разработках и при сжигании лесов.

Судя по анализу пузырьков воздуха, запечатанных во льдах Антарктиды, содержание метана за последние 400 тысяч лет демонстрировало колебания, практически совпадающие с колебаниями содержания углекислого газа (СО₂) и изменениями температуры, хотя механизмы образования этих газов, так же как механизмы изъятия их из атмосферы, совершенно разные. Рост концентрации метана в атмосфере вызывает немалое беспокойство. За последние два столетия она возросла в два раза, в то время как углекислого газа -- только на четверть. В 1970-80-е годы рост метана был особенно заметен, но в последнее десятилетие ХХ века он, по не очень понятным причинам, резко замедлился. Основная причина межгодовых различий в поступлении метана -- это изменение состояния болот. Похолодание ведет к ослаблению эмиссии метана, но и сильная жара также не способствует его накоплению, так как многие болота просто высыхают.

2.2 Изменение содержания углерода в атмосфере в разные геологические периоды

В атмосфере в настоящее время содержится около 7,5х10² Гт углерода. Небольшим содержание СО₂ в атмосфере было далеко не всегда - так в архее (около 3,5 млрд. лет назад) атмосфера состояла почти на 85-90% из углекислого газа, при существенно большем давлении и температуре.

Благодаря выделению радиогенного тепла, которое было в архее мощнее нынешнего (а также тепла из других источников), и низкой теплопроводности пород, что позволяло накапливаться тепловой энергии, постепенно разогревались недра, и около 4 млрд. лет назад началось частичное плавление пород в них. Начала происходить сильная дегазация пород и формирование мощной атмосферы, состоящей из азота, углекислого газа, паров воды, метана, водорода, аммиака и других газов. Эта атмосфера обладала уже очень мощным парниковым эффектом, однако, к счастью, получилось так, что он был все же недостаточным, чтобы оказаться необратимым.

Однако поступление значительных масс воды на поверхность Земли в результате дегазации недр, а также возникновение жизни обеспечило связывание почти всего атмосферного и значительной части растворенного в воде углекислого газа в виде карбонатов (в литосфере хранится около 5,5х10⁷ Гт углерода). Также углекислый газ стал преобразовываться живыми организмами в различные формы горючих полезных ископаемых.

Более прохладный климат протерозоя по сравнению с архейским, вероятно, обуславливался значительно меньшим содержанием углекислого газа в атмосфере на протяжении этого времени. В протерозое еще практически отсутствовала кислородная атмосфера и не работали процессы окисления углерода, возвращающие обратно в атмосферу углекислый газ, поглощенный биотой. Его содержание в атмосфере определялось балансом как поступления в атмосферу благодаря вулканической деятельности, так и вывода из атмосферы процессами продолжающейся гидратации силикатов (хотя и вновь сильно замедлившимися к середине протерозоя, после формирования серпентинитового слоя), и процессами захоронения органики в бескислородных условиях.

В конце протерозоя, в период приблизительно 900-600 млн. лет назад, на Земле прошла череда сильнейших оледенений, подобных оледенениям начала протерозоя, по мощности которым в дальнейшем уже не было равных. Ледяной покров достигал в это время даже экватора. Эту серию оледенений связывают с тем, что приблизительно в то же время наблюдалось наиболее интенсивное в истории Земли захоронение неокисленной органики, что очевидно, значительно уменьшало содержание углекислого газа в атмосфере и парниковый эффект в ней.

Когда, в результате интенсивного извлечения углекислого газа из атмосферы, происходило падение парникового эффекта, и наступало мощное оледенение. Ледяной покров и низкие температуры сильно угнетали фотосинтез, приводили к отмиранию значительной части биомассы, извлечение углекислоты из атмосферы сильно замедлялось.

Вследствие действия перечисленных факторов происходило накопление углекислого газа в атмосфере благодаря вулканической деятельности (скорость вывода его биотой в такие периоды была мала), а также возвращение его в атмосферу от окислившейся органики. В свою очередь, происходившее потепление снижало растворимость углекислого газа в воде и приводило к его переходу в атмосферу, что еще более увеличивало парниковый эффект. Вероятно, содержание углекислого газа в атмосфере в теплые периоды верхнего протерозоя могло превышать современное в триста раз.

Итак, оледенение отступало. До тех пор, пока расплодившаяся биота опять не выводила почти все запасы углекислого газа из атмосферы, и цикл начинался опять.

Вероятно, в результате этого и возникали в палеозойскую эру несколько оледенений. Это оледенение пермо-карбоновое (350-230 млн. лет назад), начавшегося в каменноугольном периоде, а также оледенения на границе верхнего ордовика - нижнего силура (460-420 млн. лет назад), и оледенение верхнего девона (370-355 млн. лет назад).

Такие оледенения, продолжавшиеся несколько миллионов (а то и десятков миллионов) лет, чередовались с теплыми периодами, и продолжались эти колебания до тех пор, пока не сформировались биологические механизмы, усилившие и сделавшие более стабильным приток кислорода в глубинные слои, что обеспечило возвращение почти всего извлекаемого из атмосферы углекислого газа обратно.

По окончании пермо-карбонового оледенения, с наступлением мезозойской эры, на планете установился очень теплый климат, с полным отсутствием полярных ледяных шапок. Теплый климат на протяжении почти всего мезозоя, со средними температурами на 10-15 °С, превышающими современные, вероятно обеспечивало довольно высокое содержание парниковых газов в атмосфере, появившееся после мощной вулканической активности и сильнейшего вымирания на границе палеозоя и мезозоя, и поддерживавшееся на приблизительно том же уровне и далее, до конца мезозоя. В меловом периоде, например, концентрация углекислого газа в атмосфере была выше в 6-10 раз современной.

Одной из причин, по которой в большей части мезозоя сохранялось высокое содержание углекислого газа в атмосфере, вероятно, было совершенствование круговорота углерода, обеспечившее более эффективный возврат его в атмосферу. Кстати, за время накопления всех каустобиолитов (уголь, нефть и пр.) в фанерозое, примерно 40% созданных запасов приходится на палеозой, 50% на кайнозой, и только 10% на мезозой.

Содержание углекислого газа в атмосфере в начале кайнозоя (палеоцен-эоцен) было приблизительно в пять раз выше современного. Средние температуры тогда были выше современных приблизительно на 8 °С. Даже в Северном море в палеоцене температура поверхностных вод составляла около 17-18 °С, увеличившись в эоцене до 22-23 °С.

Стоит отметить продолжавшееся снижение парникового эффекта - так содержание углекислого газа в атмосфере уже в раннем миоцене (около 20 млн. лет назад) понизилось по сравнению с палеоценом и эоценом приблизительно вдвое (до 0,09% с 0,16%), и составляло одну треть от своего содержания в атмосфере во время мелового периода (около 0,27%).

Итак, содержание углекислого газа, накопленного в результате мощной дегазации пород в атмосфере во времена архея (когда он являлся основным газом земной атмосферы, приблизительно на порядок более плотной нежели сейчас), в ходе всей последующей эволюции планеты постепенно снижалось, что уменьшало парниковый эффект, который во времена архея поднимал температуру поверхности Земли приблизительно на пару сотен градусов выше температуры лучистого равновесия для того времени. Правда, на эту долговременную, в миллиарды лет, тенденцию накладывались довольно значимые колебания - стоит вспомнить и великие оледенения начала и конца протерозоя, и теплую обстановку мезозойской эры.

Конечно, мощный парниковый эффект архейской атмосферы определялся отнюдь не одним углекислым газом, огромную роль играли и большие запасы накопленных в атмосфере паров воды. Но при этом, так как, по всей видимости, в архее условия на поверхности планеты все же позволяли существовать воде в жидком состоянии, далеко не вся выделявшаяся при дегазации недр вода оставалась в атмосфере, значительная часть ее конденсировалась и выпадала на поверхность. Концентрация водяных паров в атмосфере по мере выведения углекислого газа из нее должна была снижаться тоже - снижение содержания углекислого газа приводило к некоторому остыванию атмосферы, что в свою очередь приводило к дополнительной конденсации водяных паров в ней и к дальнейшему понижению парникового эффекта. А переход дополнительно части парообразной воды в жидкое состояние из-за понижения температуры, в свою очередь способствовал дальнейшему выведению углекислого газа из атмосферы (механизмы чего были описаны ранее).

Вообще, пожалуй стоит признать крайне важную роль углекислого газа если не в формировании абсолютной величины парникового эффекта на Земле (как мы видели в самом начале, сейчас основной вклад в парниковый эффект вносят прежде всего водяные пары), то в его изменении. Можно сказать, что фактически изменение содержания углекислого газа в атмосфере модулирует содержание другого основного парникового газа - водяного пара. Это связано с высокой чувствительностью содержания водяных паров в атмосфере к изменениям температуры окружающей среды, и переходом воды из состояния пара в жидкую и твердую фазу, с дальнейшим удалением из атмосферы в виде осадков. Углекислый же газ, с его весьма низкой точкой замерзания, при всех известных колебаниях температуры на Земле не переходил в другие фазовые состояния. К примеру, во времена великих оледенений протерозоя, когда содержание водяных паров в атмосфере было ничтожно мало, именно накопление углекислого газа в атмосфере в результате вулканической деятельности привело к разогреву поверхности и таянию мощнейшего ледяного панциря.

Не стоит, конечно, забывать и о другой обратной связи - о влиянии содержания водяных паров в атмосфере и парникового эффекта от них, на содержание в атмосфере углекислого газа. Но данное влияние проявляется только в температурных границах существования жидкой воды - речь, прежде всего, идет о свойстве растворимости углекислого газа в воде.

Однако параллельно очень медленному постепенному снижению парникового эффекта изменялся и другой фактор, определяющий термический режим поверхности планеты - постепенно росла светимость Солнца (приблизительно на 30% за период от момента образования Земли по сегодняшний день), что увеличивало приток энергии к Земле. В результате, эти процессы частично друг друга компенсировали в формировании температурного режима Земли. Если бы этого не происходило, сейчас на поверхности планеты было бы либо чрезвычайно холодно (в случае неизменности светимости Солнца при постепенном снижении содержания углекислого газа в атмосфере), либо чрезвычайно жарко (в случае неизменного содержания углекислого газа в атмосфере при постепенном росте светимости Солнца). Например, увеличение нынешней светимости Солнца на 40%, при неизменном содержании парниковых газов должно поднять температуру на поверхности до точки кипения воды и привести к испарению океанов.

Древняя атмосфера во льду.

Когда фирн превращается в лед, атмосферный воздух замыкается в пузырьках. Поэтому, выделяя его из керна, можно узнать о прошлом составе атмосферы, и в частности о содержании парниковых газов. Современная техника анализов позволяет извлекать изо льда и измерять с большой точностью ряд газовых примесей, прежде всего углекислый газ и метан.

Анализ кернов из глубоких скважин показал, что в максимуме валдайского оледенения концентрация СO₂ была на 25% ниже, чем в голоцене (190--200 и 260--280 ppm). Очевидно, первый уровень типичен для эпох оледенения, а второй -- для теплых интервалов.

По кернам со станции Восток выявлено соответствие изменений концентрации СO₂ и температур, вычисленных по изотопным данным. Это первое прямое доказательство тесной связи содержания углекислого газа в атмосфере и изменений климата на протяжении всего климатического цикла. Однако спад концентрации СО₂ около 110 тыс. лет назад был не таким резким, как снижение температуры. Любопытно также, что если при переходе от ледниковой эпохи к межледниковью содержание СО₂ и температура меняются синхронно, то при обратном переходе (например, 115 и 75 тыс. лет назад) концентрация углекислого газа уменьшается позднее, чем снижается температура.

Подобная корреляция изменений температуры и содержания СО2 на протяжении всего ледниково-межледникового цикла, очевидно, свидетельствует о наличии причинно-следственной связи. Однако где здесь причина, а где следствие, из этих данных не вытекает. Многие специалисты считают причиной изменение концентрации углекислого газа, но отмеченное запаздывание ее изменений как будто свидетельствует о первичности изменений температуры, за которыми следуют изменения СО₂, в свою очередь усиливающие температурные колебания.

Такой опережающий ход температур создает проблему оценки первичной роли парниковых газов в потеплении климата.

Рис. 3. Содержание парниковых газов в керне со станции Восток

Содержание другого углеродного соединения -- метана -- в древней атмосфере также тесно связано с ходом палеотемператур. Резкие изменения концентрации метана приходятся на оба ледниково-межледниковых перехода: 150--135 тыс. и 18--9 тыс. лет назад. В эти периоды она резко возрастала (от 0,35 ppm в разгар оледенения до 0,6--0,7 ppm в межледниковые оптимумы). Для валдайской ледниковой эпохи характерны четыре максимума содержания СН₄ во время относительно теплых интервалов, что не так заметно в ходе изменений CO₂.

А так же анализ ледяного керна позволил выявить способность климата к неожиданно резким, внезапным колебаниям. Судя по графикам, весь сдвиг на границе плейстоцена и голоцена занял лишь тысячу лет. А окончание последней холодной стадии, приуроченной к этой границе, произошло менее чем за 20 лет (метановая осцилляция).

2.3 Парниковые газы и атмосферные аэрозоли и климат

Водяные пары, углекислый газ, метан и некоторые другие, содержащиеся в атмосфере газы, поглощают инфракрасное тепловое излучение с поверхности Земли, нагреваемой солнечным светом. В результате происходит разогрев атмосферы, который называют «парниковым эффектом». Не следует думать, что это какое-то новое, не наблюдавшееся раньше явление. Он действует на Земле с тех пор, как появилась атмосфера. Без парникового эффекта средняя температура поверхности Земли была бы ниже 0 °С. Но об этом ниже. Пока же поговорим еще непосредственно о парниковых газах.

Самым главным парниковым газом в земной атмосфере на сегодняшний день является водяной пар, что связано с высоким содержанием его в атмосфере и наличием у него широких и мощных полос поглощения в инфракрасной области спектра. Кроме того, у водяного пара присутствуют и полосы поглощения в ближней инфракрасной области спектра и даже в красной области видимого спектра (т.е. захватывается и крайняя часть спектра солнечного излучения), однако эти последние полосы довольно слабы. Вклад водяного пара в общий парниковый эффект составляет ныне около 20,6 °С.

Второй по вкладу в общий парниковый эффект сейчас - это углекислый газ. Его вклад составляет сейчас около 7,2 °С. Однако, как раз на содержание этого газа в атмосфере человечество влияет непосредственно и очень сильно, и современное повышение температуры обусловлено, прежде всего, повышением именно его концентрации в атмосфере. За последние два с половиной столетия (т.е. с начала индустриальной эпохи) его содержание в атмосфере выросло приблизительно на 30%, причем наиболее интенсивно этот рост происходит в последние десятилетия, что вполне понятно - интенсивно растет потребление энергии человечеством, большую часть которой дает сжигание угля и углеводородов. Как и другие парниковые газы, кроме водяного пара, двуокись углерода не вымораживается при низких температурах, и продолжает оказывать влияние на парниковый эффект постоянно на больших высотах, и в высоких широтах. Особенно важно это было во времена глобальных оледенений, происходивших в истории Земли.

Еще один парниковый газ - озон, который взаимодействует как с ультрафиолетовым, так и с инфракрасным излучением. Его вклад в парниковый эффект составляет сейчас около 2,4 °С. Однако благодаря человеческой деятельности его содержание в атмосфере, в общем, понизилось за последние десятилетия (в стратосфере заметно понизилось, но в тропосфере повысилось), благодаря чему его парниковый эффект оказался ниже, чем мог бы быть, на несколько десятых долей градуса. Несмотря на весьма малое содержание озона в атмосфере, его способность поглощать инфракрасное излучение намного выше, чем у углекислого газа, что объясняет столь значимый вклад в общий парниковый эффект. Однако озон поглощает и ультрафиолетовое излучение, что снижает приток энергии от Солнца к земной поверхности, поэтому влияние озона на баланс рассматриваемых потоков энергии довольно неоднозначно.

Закись азота дает сейчас около 1,4 °С в общий парниковый эффект. Ее концентрация тоже растет благодаря человеческой деятельности (за счет сжигания различных отходов прежде всего), но не столь быстро, как у углекислого газа. Как и у озона, способность поглощать инфракрасное излучение у закиси азота значительно выше, чем у углекислого газа (в 310 раз), что объясняет ее заметный вклад в парниковый эффект при значительно меньших концентрациях в атмосфере.

Однако наиболее пристальное внимание стоит обратить на метан, хотя пока еще его вклад в общий парниковый эффект составляет около 0,8 °С. Его способность поглощать инфракрасное излучение больше чем у углекислого газа в 21 раз (на единицу массы). При этом его концентрация растет очень быстро - с начала индустриальной эпохи она выросла на 150% (причем в основном в последние десятилетия).

Удельное поглощение земного инфракрасного излучения очень велико и у фреонов - в 3-13 тыс. раз выше, чем у углекислого газа той же массы. Однако содержание фреонов в атмосфере еще очень мало для мощного парникового эффекта, и навряд ли вырастет сильно в ближайшем будущем - природных источников фреонов не существует, все производство и выделение их в атмосферу обусловлено только человеческим фактором, потребности же в них вырастут в обозримом будущем довольно незначительно. К тому же сейчас происходит замена использовавшихся типов фреонов на новые, которые обладают значительно меньшим временем жизни в атмосфере и будут довольно быстро из нее выводиться, практически не накапливаясь.

Кроме парниковых газов, на баланс потоков энергии, проходящих через атмосферу, серьезно влияют и атмосферные аэрозоли, которые, несмотря на небольшое свое содержание в атмосфере (всего около 60 млн. тонн), довольно сильно влияют на ее оптические свойства. Солнечное излучение, проходя через атмосферу к поверхности, испытывает рассеяние на частицах аэрозолей и молекулах газов, что ослабляет доходящий до поверхности поток и возвращает часть его назад в космос.

Частички сажи в атмосфере тоже относят к аэрозолям. Находясь на разных высотах, они по-разному влияют на радиационный баланс поверхности Земли. Они интенсивно поглощают излучение непрерывного спектра в широкой области (и видимой, и инфракрасной), в дальнейшем переизлучая его в инфракрасной области. Находясь, в нижних слоях атмосферы и выпадая на поверхность, они способствуют их разогреву, а вот находясь в верхних слоях атмосферы, они, фактически, преграждают путь части солнечной радиации. Знаменитые расчеты «ядерной зимы» как раз и основаны на предположении, что в результате военного столкновения большие массы сажевых частиц попадут в верхние слои атмосферы.

Следует заметить, что антипарниковый эффект отнюдь не уменьшает действие парникового эффекта так сильно, как это можно было бы подумать. Парниковый эффект действует в любое время суток, а антипарниковый эффект только днем. К тому же парниковый эффект достаточно равномерно распределен по земному шару. А антипарниковый эффект от промышленных выбросов сульфатных аэрозолей привязан в основном к северному полушарию - мировая промышленность, основная часть которой сосредоточена именно в северном полушарии, выбрасывает аэрозоли в тропосферу, а время жизни их в тропосфере невелико (порядка недели, а то и меньше), и достигнуть другого полушария они часто не успевают.

2.4 Парниковый эффект и климат

Парниковым эффектом атмосферы называется разность между средней температурой поверхности планеты и ее радиационной (эффективной) температурой. Средняя температура по всей Земле в целом приблизительно равна +15 °С, а ее эффективная температура -18 °С, следовательно, парниковый эффект на Земле сейчас равен +33 °С. Вполне очевидно, что такой слабый парниковый эффект только лишь создает благоприятные условия жизни на Земле. Но повышение парникового эффекта может быть уже не столь благоприятно, и существенно отразится на человечестве уже при потеплении всего на несколько градусов. А в условиях небывало быстрого потепления, происходящего сейчас, вполне реальна ситуация, когда компенсационные механизмы, существующие в климатической системе, окажутся неспособными предотвратить дальнейшее усиление парникового эффекта. В этом случае положительные обратные связи между повышением температуры и повышением содержания парниковых газов в атмосфере могут привести к потеплению уже на десятки, и даже сотни градусов.

Суть парникового эффекта состоит в том, что безоблачная атмосфера подобно стеклу (полиэтилену) в парниках довольно слабо задерживает солнечную радиацию и в значительной степени поглощает длинноволновое (инфракрасное) излучение земной поверхности, способствуя тем самым сохранению тепла в атмосфере. Полиэтилен поглощает как длинноволновую, так и коротковолновую радиацию. В атмосфере полной аналогии этому явлению не наблюдается, тем не менее, понятие "парниковый эффект" прочно вошло в мировую литературу. Этот термин связан с геоэкологическими проблемами и, в первую очередь, с глобальными изменениями природной среды и климата.

Средняя температура у земной поверхности определяется интенсивностью солнечной радиации, приходящей на Землю. Количество солнечной радиации, отражаемой обратно в космос, зависит от облачности, состава атмосферных золей и альбедо земной поверхности, которое в свою очередь определяется растительностью, влажностью почвы, снежным покровом и количеством излучения атмосферы, поступающего к земной поверхности. Последняя величина зависит от содержания парниковых газов, которые в основном прозрачны для солнечной радиации, но поглощают тепловое излучение земной поверхности и нижних слоев атмосферы. Нагревающаяся атмосфера излучает тепло, что приводит к дополнительному нагреванию земной поверхности.

Дополнительное поступление парниковых газов (особенно СО₂) от антропогенных источников нарушает природный углеродный баланс в атмосфере (в атмосферу ежегодно выделяется примерно 140 млрд. т СО₂) и катализирует парниковый эффект. При этом в атмосфере остается только 35-45% СО₂, образующегося при сжигании топлива, остальная часть углекислого газа поглощается океаном (главным образом, его холодными участками) и растительностью (с увеличением концентрации СО₂ в атмосфере активнее идет процесс фотосинтеза).

По мнению многих ученых, в XX в. содержание СО₂ в воздухе нижней части атмосферы увеличилось с 0,028% в 1956 г. до 0,034% в 1985 г. Предполагается, что к началу XXI столетия среднеглобальная температура приземного слоя воздуха увеличится на 1-2 °С по сравнению с доиндустриальным периодом, а к 2025 г. - на 2-3 °С. Рост концентрации антропогенных парниковых газов в атмосфере и связанное с ним возможное планетарное потепление климата отмечают многие исследователи. По данным зарубежных исследователей, в конце XXI в. дополнительное накопление СО₂ в воздухе приведет к повышению планетарной температуры на 3 °С, при этом повышение температурного режима по широте (от экватора к полюсам) может составить 7-8 °С в средних широтах и 12 °С на полюсах. Это приведет к аридизации климата и расширению площадей засушливых областей.

Справедливости ради, надо отметить, что не все ученые едины в своих оценках влияния техногенной эмиссии СО₂ на климат Земли. Некоторые специалисты полагают, что наблюдавшиеся и ранее колебания температуры земной поверхности связаны с естественными природными причинами, такими, как периодическое изменение светимости Солнца, вулканические извержения, явление Эль-Ниньо, процессы в биосфере.

По данным МГЭИК повышение температуры при удвоении концентрации парниковых газов находится в пределах 1,5-4,5 °С.

Но, по мнению акад. Кондратьева К.Я. и его сотрудников, существует много неопределенностей, связанных с ролью парниковых газов в потеплении климата. Общие оценки выбросов углерода за счет сжигания ископаемых топлив, вырубки лесов, изменения землепользования без их количественной привязки к человеческому фактору не дают возможности адекватно моделировать круговорот антропогенных выбросов углерода.

Они считают, что в ХХI веке вклад антропогенного вмешательства в потепление может быть весьма скромным - не более 0,5-0,6 °С.

А также нет убедительного ответа на вопрос, почему инструментальные данные не подтверждают основополагающий вывод МГЭИК о более существенном потеплении полярных регионов. Эти расхождения между реальными и модельными данными не являются малозначимыми.

Несомненно, зависимость между температурой и количеством парниковых газов существует. Но возникает вопрос: «Что первично?» Повышение температуры или же увеличение антропогенных выбросов СО₂.

Возможно, на данном этапе происходит тепловое загрязнение. То есть выделение большого количества тепла человеком повышает глобальную температуру атмосферы, тем самым, увеличивая концентрацию свободного углерода за счет выделения его из океана.

По мнению академика РАЕН О.Г. Сорохтина, насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, всегда приводит не к повышению, как это принято думать, а только к понижению и парникового эффекта, и средней поверхностной температуры планеты.

Объясняются эти, казалось бы, парадоксальные, результаты тем, что вынос тепла из тропосферы в основном происходит благодаря конвекции, а главными факторами в этом процессе, определяющими температурный режим тропосферы, являются давление атмосферы и ее эффективная теплоемкость. Действительно, нагретые за счет поглощения инфракрасного (теплового) излучения объемы воздуха расширяются, становятся легче окружающих воздушных масс и поэтому быстро поднимаются вверх, вплоть до низов стратосферы, где они и теряют избытки своего тепла в результате радиационного излучения. Таким образом, насыщение атмосферы углекислым газом может привести только к ускорению конвективного массообмена в тропосфере, но не к изменению ее температурного режима. Из-за большей плотности углекислого газа по сравнению с земным воздухом, углекислотная атмосфера оказывается более тонкой и, подобно тонкому одеялу, хуже сохраняет тепло на поверхности планеты по сравнению с более толстым «пуховым» одеялом азотно-кислородной атмосферы, обладающим к тому же и большей теплоемкостью.

Из приведенных оценок, по мнению О.Г. Сорохтина, следует важный практический вывод, что даже значительные выбросы техногенного углекислого газа в земную атмосферу фактически не меняют осредненных показателей теплового режима Земли и парникового эффекта атмосферы. Если же глобальный климат Земли в настоящее время все-таки действительно испытывает заметное потепление, то, скорее всего, это окажется временным явлением, и причину ему надо искать в других процессах и явлениях. Например: в неравномерности солнечного излучения, в прецессии собственного вращения Земли, в неустойчивости океанических течений или в изменениях их циркуляции, вызванных другими причинами.

Однако даже в том случае, если воздействие выбросов углерода на климат окажется меньше, чем мы сейчас предполагаем, удвоение его концентрации должно вызвать существенные изменения в биосфере. Изменение соотношения О₂ / СО₂ может оказать сильное влияние на биологическое равновесие в тонком биосферном слое планеты, поскольку кислород и углекислый газ являются ключевыми субстратами важнейших жизненных процессов. Опасность современной экологической ситуации таится в том, что к резкому изменению состава атмосферы быстрее всего будут адаптироваться простейшие виды организмов; отсюда высокая вероятность появления новых форм болезнетворных микроорганизмов. Этот фактор риска в полной мере может быть отнесен к последствиям сжигания ископаемого органического топлива.

Углекислый газ вовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера, и потепление земного климата связывают, прежде всего, с увеличением его поступления в атмосферу.

Еще одним компонентом углеродного цикла является метан. Ранее считалось, что поток метана из недр Земли невелик, и его практически не учитывали. Поток метана в атмосферу может значительно увеличиться при разрушении метангидратов, обнаруженных в последние десятилетия в вечной мерзлоте и в глубинах Мирового океана.

Дополнительное поступление парниковых газов (особенно СО₂) от антропогенных источников нарушает природный углеродный баланс в атмосфере (в атмосферу ежегодно выделяется примерно 140 млрд. т СО₂) и катализирует парниковый эффект.

Но не все ученые едины в своих оценках влияния техногенной эмиссии СО₂ на климат Земли. Некоторые специалисты полагают, что наблюдавшиеся и ранее колебания температуры земной поверхности связаны с естественными природными причинами. По мнению академика РАЕН О.Г.Сорохтина, насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, всегда приводит не к повышению, как это принято думать, а только к понижению и парникового эффекта, и средней поверхностной температуры планеты.

Прослеживая эволюцию содержания углекислого газа в геологические периоды, можно определить зависимость между содержанием СО₂ и переходом от оледенения к межледниковью. В результате интенсивного извлечения углекислого газа из атмосферы происходило падение парникового эффекта и наступало мощное оледенение. Ледяной покров и низкие температуры сильно угнетали фотосинтез, приводили к отмиранию значительной части биомассы, извлечение углекислоты из атмосферы сильно замедлялось. Происходило накопление углекислого газа в атмосфере благодаря вулканической деятельности, а также возвращение его в атмосферу от окислившейся органики. В свою очередь, происходившее потепление снижало растворимость углекислого газа в воде и приводило к его переходу в атмосферу, что еще более увеличивало парниковый эффект. Итак, оледенение отступало до тех пор, пока расплодившаяся биота опять не выводила почти все запасы углекислого газа из атмосферы, и цикл начинался опять.

Любопытно также, что по данным ледниковых кернов, при переходе от ледниковой эпохи к межледниковью содержание СО2 и температура меняются синхронно, то при обратном переходе (например, 115 и 75 тыс. лет назад) концентрация углекислого газа уменьшается позднее, чем снижается температура. Эта альтернативная точка зрения может стать научной базой для решения данной проблемы.